For at brødføde verden, forbedre fotosyntesen

WHITTEN SABBATINI

Inde i et lunt drivhus i det centrale Illinois, så er et larmende, men fokuseret forskerpar eksperimentelle planter. Forskerne fugter jorden og pakker den i potter, og vipper derefter forsigtigt små mørkebrune tobaksfrø ud af hætteglas. I de følgende måneder vil forskerne flytte planterne udenfor på en mark og se, om de vokser sig større eller hurtigere end normalt - et afgørende skridt mod at brødføde verden i 2050.

Disse tobaksplanter er blevet konstrueret på et mere grundlæggende niveau end typiske bioteknologiske afgrøder. Den måde, de udfører fotosyntese på, er blevet pillet ved, så de omdanner sollys og kuldioxid mere effektivt til kulhydrater. Hvis videnskabsmænd gør det i fødevareafgrøder, kunne ethvert givet jordstykke producere mere mad eller producere den samme mængde mad med mindre vand og gødning.

Denne historie var en del af vores september 2017-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Behovet er akut. For at brødføde en voksende befolkning, projekterer FN, skal verdensomspændende landbrugsudbytte stige med 50 procent mellem nu og 2050. Og det ambitiøse mål tager ikke hensyn til virkningerne af klimaændringer. Planter trives med kuldioxid, men meget varme dage undertrykker afgrødeudbyttet. I mange dele af verden vil de stigende temperaturer og øgede tørker forårsaget af klimaændringer være ødelæggende. Og disse negative virkninger vil have den største indvirkning på de fattige, siger Steve Long, direktør for Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), et internationalt konsortium baseret på University of Illinois i Urbana-Champaign.

RIPE-projektet, finansieret af Bill og Melinda Gates Foundation, starter med tobak, fordi det er relativt nemt at gensplejse. Men RIPEs egentlige mål er at forbedre udbyttet af fødevareafgrøder som cassava og cowpeas, som er vigtige kilder til kalorier og protein i mange fattige lande. Og den arbejder på meget mere ambitiøse ændringer af plantemetabolisme, end der er blevet foretaget før.

Agronomer har endnu ikke skubbet fotosyntesen til dets grænser. Det er på trods af, at denne 160-trins biokemiske proces er meget velundersøgt og overraskende ineffektiv - planter omdanner mindre end 5 procent af energien i sollys til biomasse. En endnu mindre del af det investeres i de dele af planter, folk kan lide at spise: frø, knolde, bønner. Moderne landbrug har forbedret udbyttet enormt takket være gødning, pesticider og traditionel avl. Nu er gevinster sværere at opnå. Det er derfor, RIPE-gruppen sigter mod ineffektivitet i plantemetabolisme. (Andre forskere forsøger variationer af den samme idé; se 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosynthesis.)

Relateret historie

Relateret historie

Sidste år demonstrerede RIPE-forskere for første gang, at det var muligt at forbedre afgrødeudbyttet i marken ved at lave fotosyntese. Ved at øge ekspressionsniveauerne af tre gener, der er involveret i behandling af lys, forbedrede de tobaksudbyttet med 20 procent.

Nu forsøger RIPE-holdet at bruge det samme genteknologiske trick til at øge udbyttet i mere genstridige fødevareafgrøder. At få det til at ske i kassava falder delvist til Amanda De Souza, en postdoc fra Brasilien.

Genteknologi af fotosyntese i kassava er en delikat og langvarig proces. De Souza åbner en petriskål for at vise cassava embryoner frem, lysegule klynger omkring en millimeter brede. Hun dyrker dem ved hjælp af væv plukket fra en knop på en fuldvoksen kassavaplante. Denne klynge af celler, kaldet en callus, kan inficeres med bakterier, der bærer lysbearbejdningsgener. Kun få celler vil faktisk optage generne. De, der gør det, vil derefter blive udsat for en hormoncocktail, der får dem til at vokse en stilk og rødder.

I kassava tager denne genetiske transformation otte til 10 måneder - det vil sige, hvis alt går godt. Andre vigtige fødevareafgrøder, herunder ris og koærter, er en smule hurtigere.

Nede ad gangen åbner De Souza et skabslignende rum oversvømmet med kunstigt sollys. På hylderne vokser unge kassavaplanter i plastikkrukker, deres rødder er omgivet af en næringsgel, som bliver plukket af med hånden, før planterne kan gå i jorden.

RIPEs forsøgsfelter ligger 10 minutters kørsel fra laboratorierne. I denne del af landet dyrker gårde for det meste sojabønner og majs. Det påhviler David Drag, RIPEs feltforsøgsleder, at finde ud af, hvordan det centrale Illinoiss jord kan pleje afgrøder som kassava og ris. Til et projekt hjalp en samarbejdspartner ham med at bygge en rismark. Men i 2015, husker han bedrøvet, så han et af RIPEs nøgleprojekter drukne i en alvorlig regnstorm i sensæsonen, på trods af holdets bestræbelser på at grave skyttegrave og dæmninger. Et års arbejde gik tabt - en ydmygende påmindelse om, at selv den mest avancerede landbrugsvidenskab stadig er prisgivet naturens nåde.

De konstruerede tobaksplanter i dette drivhus er parret med poser for at opsamle de frø, de taber, til brug i fremtidige tests.

Til venstre: Denne robot manøvrerer sig selv gennem marker for at måle biomasse og andre aspekter af plantevækst.
Til højre: Dette apparat, fastspændt på et tobaksblad, sonderer plantens stofskifte. Den måler temperatur og fugtighed ved bladets overflade og suger ilt og andre gasser ud fra bladet til en kemisk analysator.

Disse unge kassavaplanter er blevet gensplejset til at behandle sollys mere effektivt.

Til venstre: Noget af grundforskningen i fotosyntesens molekylære biologi udføres i alger i petriskåle. Til højre: Et kort over klorofyl i en plante, lavet af et fluorescenskamera.

Til venstre: Et fluorescenskamera udsætter planter for glimt af skarpt lys for at måle, hvor hurtigt de reagerer på skiftende lysniveauer.
Til højre: Et billede inde i fluorescensbilledet.

Disse eksperimenter har været med til at fastslå, at tobaksplanter giver højere udbytte, hvis de hurtigere kan slukke for produktionen af ​​en molekylær solcreme, når lysniveauet falder. Planter, der klarer sig godt i disse forsøg, går videre til markforsøg.

skjule